Ядерна оболонка: будова та функції

Ядерна оболонка — характерна ознака еукаріотичних клітин. Вона складається із: 1) зовнішньої та внутрішньої ядерних мембран; 2) розміщеного між ними перинуклеарного простору; 3) комплексу ядерних пор; 4) фіброзного шару (ляміни), що вистилає внутрішню ядерну мембрану.

Мембрани ядра.

Загальний план будови ядерних мембран подібний з іншими мембранами клітини. Зовнішня ядерна мембрана (ЗЯМ) в багатьох місцях переходить в мембрани ендоплазматичного ретикулуму (ЕР). При цьому порожнини її цистерни з’єднуються з перинуклеарним простором. Зі сторони цитоплазми ЗЯМ, подібно ГрЕР, вкрита рибосомами, які синтезують білки (головним чином гістони).

Внутрішня мембрана має особливості складу ліпідів і білків порівняно із зовнішньою мембраною. В ділянці ядерних пор ВЯМ переходить в ЗЯМ.

Між двома ядерними мембранами знаходиться перинуклеарний простір, що поєднується через виступи ЗЯМ з цистернами ЕР. Товщина його в середньому складає від 10 до 30 нм і може значно змінюватись, залежно від виду клітин і їх фізіологічного стану. При збільшенні метаболічної активності ядра перинуклеарний простір значно розширюється — до сотень нм.

Внутрішня мембрана зі сторони нуклеоплазми асоціює (контактує) з фіброзним шаром (ляміною). Фіброзний шар тісно пов’язаний з поровим комплексом, фібрилами ядерного матриксу і фібрилами ядерця. Значить, ляміна відноситься до скелетних структур ядра. Він виявлений в ядрах усіх клітин, але товщина його варіює від 10-20 нм до 200-300 нм. Через фіброзний шар здійснюється сполучення пристінкового хроматину до внутрішньої ядерної мембрани.

Поровий комплекс.

Ядерні пори мають складну будову, тому їх і називають поровим комплексом (ПК).

Отвір (пора) ПК утворена контактом ВЯМ і ЗЯМ, діаметром 80-90 нм. По периферії пори розміщуються в три ряди гранули по 8 штук в кожній: зовнішній (цитоплазматичний), внутрішній і середній. Розмір гранули близько 25 нм і складається із комплексу білків. Всередині пори розміщується центральна гранула, що має канал діаметром 15 нм. До її складу входить РНК і білок. До центральної гранули від периферії тягнуться фібрили, що утворюють діафрагму (перемичку).

Розміри і будова ПК практично однакові у всіх еукаріот. В широких межах варіює число ПК на одиницю ядерної поверхні. Їх число збільшується в метаболічно активних клітинах і відносно мало в ядрах клітин, диференціювання яких завершене (еритроцити птахів, амфібій, сперматозоїди).

Розподіл пор на поверхні ядра також нерівномірний. Часто можна спостерігати їх скупчення, що також пов’язане з функціональною активністю ядра.

Функції ядерної оболонки.

1.Розмежування вмісту ядра від цитоплазми, а, значить, розподіл процесів зберігання інформації і її транскрипції від трансляції — кінцевої її реалізації. Таке розмежування очевидно спрямоване на більш надійне збереження генетичного гомеостазу — первинної умови збереження виду.

Ядерце

В інтерфазному ядрі залежно від функціональної активності клітини і особливостей каріотипу в світловому мікроскопі можна розрізнити одне чи кілька ядерець. Структура ядерця детально вивчена за допомогою електронного мікроскопа. В ядерцях розрізняють: 1) фібрилярну дифузну частину або нуклеолонему; 2) гранулярну частину; 3) білковий матрикс ядерця; 4) фібрилярний центр з ядерцевим організатором; 5) асоційований з ядерцем хроматин.

Як елемент ядра, ядерце не є постійною і самостійною структурою ядра. Весь матеріал ядерця — це похідне ядерцевого організатора — головна складова частина ядерця. Ядерцевий організатор (ЯО) являє собою ділянку хромосоми, що містить, як правило, кластери рибосомальних генів для 18s, 5, 8s, 28s рРНК. Вони в ЯО розміщуються один за одним (тандемно) десятки і сотні разів. Ядерцевий організатор морфологічно виявляється як фібрилярний центр — невелике округле утворення, що містить тоненькі фібрили 4-5 нм. Кластери рибосомальної ДНК асоційовані з кислими білками, що виконують регуляторну і структурну функції. Даний комплекс РДНК з білками ще називають р-хроматином.

Окрім ДНК ЯО, в ядерці міститься асоційований з ядерцем хроматин. Він являє собою гетерохроматинові ділянки тих же хромосом, які містять ЯО, а також інших хромосом. Асоційований хроматин, певно, відіграє в ядерці структурну функцію, а також регуляторну, бере участь в регуляції транскрипції рРНК.

Гранулярна частина ядерця відповідає локалізації власне рРНК в комплексі з кислими білками. Фібрилярна частина ядерця складається з високомолекулярних попередників рРНК гранулярної частини ядерця.

Білковий матрикс ядерця входить до складу ядерного матриксу. Але, він містить також характерні для ядерця білки, що складають скелет ядерця. Вони також сполучають ядерце зі скелетними утвореннями (матриксом) ядра, хроматином, оболонкою ядра (приоболонкові ядерця).

В неактивному ядерці при пригніченні синтезу рРНК спочатку зникає гранулярний компонент, що звичайно займає 70-80% об’єму ядерця. Потім зменшується і фібрилярний компонент. Фібрилярний центр (ЯО), з невеликою кількістю фібрилярного компоненту, залишається навіть при повній інактивації ядерця.

В активному ядерці йде постійна транскрипція рибосомальних генів з такою інтенсивністю, що фібрили рДНК мають вигляд лампових щіток, щетинки яких різної довжини — різної довжини попередники рРНК залежно від початку їх синтезу.

Рибосомальні гени у еукаріот в основному організовані в повторювані оперони (Збарський І. Б., 1988) або цистрони (Ченцов Ю. С., 2004). Вони містять кодуючі послідовності для 18s, 28s, і розміщуються між ними 5, 8s РНК. Ці 3 гена відокремлені один від одного транскрибованими не кодуючими ділянками (спейсерами). Спейсери елімінуються в процесі дозрівання пре-рРНК. Весь транскрибований оперон переривається нетранскрибованими спейсерами.

За допомогою РНК-полімерази 1, одним комплексом спочатку транскрибується 18s РНК, потім 5, 8 s, останньою — 28s рРНК.

В результаті такої безперервної транскрипції утворюється гігантська молекула-попередник з коефіцієнтом седиментації близько 45s, потім вона проходить кілька етапів дозрівання (процесинг), які полягають у вирізанні не кодуючих спейсерів. В результаті утворюються зрілі 18s, 5, 8s, 28s рРНК.

Гени для 5s рРНК, яка входить до складу рибосом, знаходяться поза ЯО (у людини в прицентромерній вторинній перетинці хромосоми №1). Ці гени транскрибуються РНК-полімеразою-3, що транскрибує малі РНК (в т. ч. тРНК, малі цитоплазматичні РНК).

Зрілі рРНК всіх типів одразу же після їх утворення вступають в асоціацію з кислими білками, виходять з ядра в цитоплазму і формують 2 субодиниці рибосом.

У прокаріот всі гени рРНК 5s, 16s, 23s також зібрані разом (оперон), але відокремлені один від одного не транскрибованими спейсерами. Отже, кожен з них транскрибується окремо і, значить, не проходить процесингу. У кишечної палички є 6 р-оперонів, що розміщені в різних ділянках хромосом.

Ядерце — динамічна структура. Його розміри і складові компоненти змінюються залежно від активності клітини, стадії мітотичного циклу. В профазі мітозу при затуханні активності ЯО ядерця зникають, тобто переходять в цитоплазму гранулярний, а потім фібрилярний компоненти. Але матеріал фібрилярного центра, асоційований з регуляторними кислими білками, зберігається. При цьому він стає компактним і перерозподіляється між кластерами рДНК, тобто ділянками ЯО хромосом. Залишковий матеріал ядерця, що являє собою кислі білки, можна виявити гістохімічними методами. Зокрема, ці білки вибірково забарвлюються азотнокислим сріблом і в світловому мікроскопі мають вигляд темних глибок (осаджене срібло).